WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Обеспечение работоспособности и ресурсосбережения при восстановлении и упрочнении сложнопрофильных шлицевых деталей накаткой (на примере шлицевых деталей автотракторных карданных передач)

На правах рукописи

Годунов Николай Борисович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ И УПРОЧНЕНИИ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ШЛИЦЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ НАКАТКОЙ (НА ПРИМЕРЕ ШЛИЦЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ АВТОТРАКТОРНЫХ КАРДАННЫХ ПЕРЕДАЧ)





Специальность 05.20.03 – Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Саратов 2010

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова».

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Цыпцын Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор Истомин Сергей Викторович, доктор технических наук Кулаков Александр Тихонович
Ведущая организация ФГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»


Защита диссертации состоится «23» июля 2010 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 при ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова».

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл., 1, ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат диссертации разослан «__»________2010 г.

Ученый секретарь совета

по защите докторских

и кандидатских диссертаций Н.П. Волосевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важным резервом повышения эффективности использования техники, экономии материальных и топливно-энергетических ресурсов и наряду с этим ресурсосбережения и экологической защиты окружающей среды является восстановление изношенных деталей.

В сельском хозяйстве порядка 95 % основных производственных фондов имеют промышленное происхождение; и они создаются в других отраслях народного хозяйства. Поэтому резкое удорожание сельскохозяйственной техники и запасных частей к ней на современном этапе ведет к удорожанию сельскохозяйственной продукции. Ценовой диспаритет и слабая государственная поддержка сельскохозяйственных производителей являются причинами диспропорции доходной составляющей сельскохозяйственного производства – по сложившейся цене продукта он не реализуется, а по заниженной цене – теряется смысл его производства. Все это дополнительно усугубляется нынешними кризисными явлениями.

Приобретение новой дорогостоящей техники для большинства хозяйств не представляется возможным по причине современной финансовой несостоятельности, а старое оборудование не может решить проблему технического обеспечения производства; низкая его производительность, частые отказы и необходимость их постоянного устранения приводят к значительным финансовым потерям, растянутым по времени, что в итоге приблизительно равнозначно. Это, несомненно, повышает себестоимость производимой продукции, резко снижает конкурентоспособность отечественной сельскохозяйственной продукции.

При литье заготовок выход годных деталей не превышает 65 – 68 %, при этом порядка 6 – 7 % металла выгорает – безвозвратные сырьевые потери значительны. Не менее значительны и энергетические потери из-за постоянного необоснованного повышения тарифов, которые превышают экономически целесообразные величины.

Переработка металлолома на металлургических заводах сопровождается вредными экологическими последствиями: при производстве 10 млн т стали в год выбросы оказывают вредное воздействие на площадь порядка 250 тыс. га.

Восстановительные же технологии обладают значительными потенциальными возможностями, так как наряду с возобновлением ресурса деталей активно используется и их остаточный ресурс, они прогрессивны также по показателям материалоемкости, так как объемы поверхностей деталей, не подвергающиеся изменениям при эксплуатации, как правило, многократно превышают объемы, приходящиеся на износ. Исходя из этого, проблема активного использования прогрессивных безотходных технологий восстановления деталей в нынешних условиях резко возрастает. Существенный научно-исследовательский вклад в разработку технологий, оборудования и оснастки для возобновления ресурса изношенных деталей внесли такие ученые, как Д.Г. Вадивасов, М.Н. Ерохин, Б.П. Зогородских, В.И. Казарцев, И.С. Левитский, В.П. Лялякин, Ю.Н. Петров, Ю.Д. Пашин, Ф.Я. Рудик, А.И. Селиванов, В.В. Стрельцов, И.Е. Ульман, В.А. Шадричев, В.И. Цыпцын, М.И. Черновол и др.

В связи с этим исследования, направленные на повышение качества восстановления ресурсообеспечивающих сложнопрофильных деталей путем применения современных высокоэффективных технологий, являются актуальными и практически значимыми для экономики агропромышленного комплекса страны.

Актуальность работы подтверждается также и тем, что она выполнялась в соответствии с планами развития Саратовской области по научному направлению 1.2.9. «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в агропромышленном комплексе Поволжского экономического региона» на двадцать лет до 2010 года (№ ГР 840005200), по комплексной теме № 5 НИР СГАУ им. Н.И. Вавилова «Повышение надежности и эффективности использования мобильной техники в сельском хозяйстве» и планам НИОКР ОАО «Ульяновский автомобильный завод»

Научная проблема Поставленная в работе проблемная ситуация заключается в том, что существующие научно-технические решения не позволяют обеспечить восстановление шлицевых деталей высокими, соответствующими нормативным, показателями прочности. В диссертации предложены принципиально новые процессы, основанные на размерном перемещении запасов металла деталей и формировании профиля шлицев с возобновлением ресурса передачи.

Цель работы: повышение работоспособности сложнопрофильных шлицевых деталей автотракторных карданных передач путем разработки прогрессивных ресурсосберегающих технологий их восстановления и упрочнения.

Объект исследования: шлицевые детали карданных передач автомобилей ЗИЛ, ГАЗ и УАЗ.

Предмет исследований: закономерности формообразования шлицевых втулок и валов при их восстановлении накаткой с перемещением запасов металла с нерабочих поверхностей на изношенные шлицы и их размерным профилированием.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

  1. Закономерности условий работы и износа шлицевых поверхностей деталей карданных передач.
  2. Математическое описание эффективности технологических процессов восстановления деталей пластической деформацией с гарантированным обеспечением качественных и ресурсосберегающих показателей.
  3. Расчетно-теоретические методы обоснования и назначения технологических параметров и режимов при восстановлении шлицевых втулок и валов.
  4. Параметры управляющих технологических воздействий, обеспечивающих увеличение ресурса и ресурсосбережения восстановленных шлицевых деталей накаткой с профилированием поверхностей.
  5. Способы, устройства, технологические процессы, технико-экономические и ресурсосберегающие показатели эффективности восстановления сложнопрофильных шлицевых поверхностей накаткой с профилированием шлицев.

Научная новизна работы заключается в комплексном подходе к решению проблемы возобновления ресурса сложнопрофильных шлицевых втулок и валов, в результате чего:

  1. Теоретически обоснована технико-экономическая целесообразность восстановления сложнопрофильных шлицевых деталей методом накатки с профилированием шлицев, обеспечивающим высокое качество и эффективность технологического процесса.
  2. Исследованы и теоретически проанализированы схемы формообразования и напряженно-деформированного состояния процесса восстановления деталей накаткой с профилированием шлицев, необходимые для проектирования оснастки и разработки технологических процессов.
  3. Разработаны математические модели напряженно-деформированного состояния, оптимизирующие технологические режимы восстановления сложнопрофильных шлицевых поверхностей накаткой с профилированием шлицев.
  4. Разработаны комплекты оборудования и оснастки для восстановления сложнопрофильных шлицевых втулок и валов накаткой с профилированием шлицев.

Практическая ценность работы состоит в том, что в результате проведенных исследований:

  1. Разработаны технологические направления восстановления сложнопрофильных шлицевых деталей накаткой, обеспечивающие возможность комплексного устранения износных дефектов с возобновлением ресурса без использования дополнительных компенсирующих износ материалов.
  2. Созданы принципиально новые технологические процессы и оснастка для восстановления сложнопрофильных поверхностей накаткой с размерным профилированием на доступном универсальном оборудовании.
  3. Появилась возможность анализировать, рассчитывать, выбирать и назначать рациональные конструктивные параметры оснастки, инструмента и технологические режимы для профилирующей накатки шлицевых деталей при их восстановлении.

Реализация результатов работы. Технологические процессы с комплектами оснастки для восстановления шлицевых деталей карданных передач накаткой с размерным профилированием шлицевых поверхностей внедрены и прошли проверку на предприятиях:

  • ОАО «Новозахаркинский ремонтный завод» (1996 г.);
  • ОАО «Саратовский ГПЗ» (1999 г.);
  • ОАО «КамАЗ» (1999 г.);
  • ОАО «Ульяновский автомобильный завод» (2008–2009 гг.);
  • «Автоваз» (2009 г.).

Материалы работы используются в лекционных курсах, курсовом и дипломном проектировании студентами ФГОУ ВПО «СГАУ им. Н.И. Вавилова».

Апробация работы. Материалы исследований были доложены, обсуждены и получили положительную оценку:

  • на научных конференциях профессорско-преподавательского состава СИМСХ и СГАУ им. Н.И. Вавилова (Саратов, 1997–2009);
  • на Международных конференциях «Вавиловские чтения» (Саратов 2007–2009);
  • на Международных конференциях к юбилейным датам профессоров Красникова В.В., Рыбалко А.Г. и Вадивасова Д.Г. (Саратов 2008–2009);
  • на научно-техническом совете Саратовского государственного подшипникового завода № 3 в (1993);
  • на научно-техническом совете ОАО «Автоваз» (2009);
  • на научно-техническом совете ОАО «Ульяновский автомобильный завод»(2009);
  • на Международной конференции Санкт-Петербургского технического университета
    (Санкт-Петербург 2007);

Публикации. По теме диссертации опубликованы 28 печатных работ, в том числе: 1 монография с подробным изложением материалов работы, 1 рекомендации, 11 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель. Общий объем печатных работ составляет 13,65 п. л., из них лично автору принадлежит 9,54 п. л.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, выводов, списка использованной литературы из 209 наименований и приложений на 32 страницах. Содержит 235 страниц текста, в том числе 14 таблиц, 83 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика направления исследований, изложены научные положения и результаты работы, выносимые на защиту.

В первом разделе «Постановка проблемы, цель и задачи исследования» рассмотрены особенности работы деталей шлицевых передач, выполнен обзор и анализ существующих способов их восстановления.

Исходя из анализа динамических составляющих работы шлицевого соединения сделаны следующие заключения о износном состоянии и событиях, интенсифицирующих износ: наиболее активное воздействие на работоспособность шлицевых деталей оказывают контактные напряжения , вызывающие изменение размера зуба по ширине; изгибающий момент , возникающий при передаче зубом крутящего момента, вызывает усталостное разрушение зуба у его основания; несовпадение осей шлицевых деталей, имеющее место при увеличении межшлицевого зазора, ведет к изменению размера зуба по высоте; постоянное перемещение шлицевого вала в шлицевой ступице при эксплуатации ведет к неравномерному износу зуба по ширине и высоте по всей его длине; интенсивность изнашивания шлицевых деталей в функции времени от наложения последствий износа резко ускоряется.

Надежность шлица по контактной прочности определяется вероятностью события, когда контактные напряжения меньше предела контактной выносливости. Это говорит о том, что в случае массового производства и восстановления при работе шлицевых соединений в одинаковых условиях их надежность определяется в вероятностно-статистической форме. Очевидно, что даже в условиях промышленного производства добиться какого-то постоянного равновесного состояния в событии очень сложно. Вероятность того, что лимитируемая нагрузка меньше прочности,,не представляется возможной. Даже в случае изменения нагрузочного состояниялегко добиться высокой надежности за счет обоснованного выбора состояния предела контактной выносливостишлицевого соединения, зависящего от воспринимаемой нагрузки.

Для случая возобновления работоспособности шлицевого соединения величина контактной нагрузкив своем интервальном состоянии остается неизменной, а вот предел контактной выносливостивсецело зависит от размеров шлицевого соединения и принятого способа восстановления. Очевидно, что способ восстановления должен обеспечивать высокую прочность поверхности, оптимальное напряженное состояние по профилю и основанию шлица и, что очень важно, соответствующую воспринимаемым нагрузкам прочность на изгиб. Повышение твердости поверхности зуба ведет к уменьшению прочности на изгиб, а, уменьшение твердости в свою очередь, к уменьшению износостойкости профиля.

В исследовательской практике существует несколько способов оценки контактной и изгибной прочности шлицев, основанных на применении полуэмпирических формул, полученных по результатам эксперимента или путем использования реальной схемы нагружения шлица, имеющего аналитико-численное решение.

Первый подход не универсален, и в нашем случае его использование, когда необходима аналитическая оценка способов восстановления шлицевой поверхности, не представляется возможным.

Второй подход универсален, и им, по нашему представлению, с достаточной степенью точности можно охарактеризовать возможность той или иной технологии восстановления шлицевых поверхностей.

По условиям работы максимальный крутящий момент на ведомом валу коробки перемены передач возникает при подключении первой передачи, следовательно, и расчет максимальной нагрузки должен вестись для этого варианта нагружения.

Усилие Т и его составляющие P и R приводят к возникновению изгибающих нагрузок. Максимальный суммарный изгибающий момент М зависит от максимальных моментов в условных вертикальной Миз.в и горизонтальной Миз.г плоскостях:

(1)

Приведенный момент Мпр учитывает дополнительно крутящий момент:

(2)

Отсюда следует, что нагрузки, приходящиеся на шлицевой вал карданной передачи, идентичны нагрузкам ведомого вала, и тогда

(3)

Величина крутящего момента Мкр, Нм, позволяет исследовать размер диаметра сечения детали:

(4)

где момент сопротивления сечения цилиндра; [кр] предельно допустимые напряжения при кручении, Нм.

Следовательно оптимальный диаметр вала карданной передачи dв, м, равен

(5)

Выражение (5) дает простейшее заключение о диаметре гладкого состояния вала, следовательно, расчетную формулу необходимо дополнить шлицами как элементами сечения вала, а это в свою очередь позволит рассчитать их основные размеры – ширину шлица –, высоту шлица – t и длину – l. Данные расчеты необходимы для последующего обоснования наличия в шлицевых деталях запасов металла, перемещаемых с целью компенсации износа и создания припусков на механическую зубопротяжную и зубофрезерную операцию с обеспечением нормативных прочностных показателей передачи.

Шлицы при передаче крутящего момента испытывают напряжения смятия и среза (рисунок 1).

 Схема для анализа прочностных параметров шлицевого соединения -19

Рисунок 1 – Схема для анализа прочностных параметров шлицевого соединения

Площадь поверхности шлица Sбок, м2, на которой возникают напряжения смятия, определяется по формуле

(6)

где z – число зубьев; l – длина шлицевой детали; t – высота шлица.

Окружное усилие, вызывающее смятие шлица, определяется исходя из условия его приложения к средней линии шлица, тогда величина окружного усилия определится выражением

(7)

В свою очередь предельно допустимая величина окружного усилия Рпр, ограничивается допустимым напряжением смятия [см] материала, тогда

(8)

где – коэффициент, учитывающий нормативную нагрузку:

Из выражения (8) определяется рекомендуемая длина шлица l. мм:

(9)

Допустимое изменение сечения размера от шлица D до полости вала D1 определяется из равенства

(10)

Проведенный анализ прочностных составляющих шлицевых деталей карданных передач показал на достаточно высокий запас их прочности, причем уменьшение размера толщины стенки внутренней нерабочей поверхности ступицы возможно с 6,875 до 4,425 мм, т. е. в 1,55 раза, уменьшение внешней нерабочей поверхности втулки с 4,9 до 2,5 мм, т. е. в 1,96 раза.

Следовательно, анализ прочностных показателей изношенных шлицевых деталей карданных передач указывает на наличие достаточного для восстановления деталей запаса металла с соблюдением нормативных прочностных показателей.

В пользу целесообразности восстановления говорит и возможность ресурсосбережения.

В нашем случае анализируется второй уровень ресурсосбережения, проявляющийся в период эксплуатации техники. Специфика данного случая вытекает из потребляемых ресурсов. Ряд ресурсов в процессе изготовления техники потребляются полностью (металл, энергетические ресурсы и пр.), другие же ресурсы потребляются частично, и остаточная часть их может быть использована с высокой степенью эффективности.

Не следует пренебрегать и последствиями третьего уровня ресурсосбережения, когда отходы от производственной деятельности ложатся тяжким грузом на окружающую среду.

Рациональное хозяйствование предполагает полное использование трудовых, материальных, энергетических, финансовых и прочих ресурсов.

Принято, что существенным моментом при исследовании технологических процессов восстановления сложнопрофильных деталей является соблюдение как прочностных показателей, обеспечивающих высокую надежность передачи, так и ресурсосберегающих, обусловливающих экономическую целесообразность восстановления.

При этом важной составляющей этой научной проблемы является теоретическое обоснование закономерностей формообразования при исследовании кинематики и динамики перемещения металла из нерабочих зон и формирования размеров восстанавливаемых поверхностей.

На основании поставленной цели в работе сформулированы и решались следующие задачи:

  1. Исследовать характер работы шлицевых соединений карданных передач, выявить закономерности, обусловливающие причины и характер возникновения дефектного состояния, проанализировать имеющиеся способы восстановления и дать качественную оценку их технической состоятельности.
  2. Теоретически и экспериментально исследовать износное состояние профиля, обосновать возможность изменения нерабочих размеров шлицевых деталей с целью назначения поверхностей с наличием запасов металла для компенсации износа и создания припусков на механическую обработку.
  3. Теоретически исследовать и обосновать процессы формообразования при перемещении запасов компенсирующего износ металла, напряженно–деформированное состояние деталей при накатке с размерным профилированием шлицев.
  4. Разработать математические модели выбора рациональных режимов накатки с профилированием шлицевых поверхностей; ресурсосберегающей технологии восстановления и упрочнения деталей.
  5. Исследовать физико-механические, геометрические и структурные составляющие качества и эффективности восстановления шлицевых деталей накаткой.
  6. Представить элементы конструктивного решения оснастки для восстановления внутренних и внешних шлицевых поверхностей накаткой, провести их производственную апробацию и дать технико-экономическую оценку результатов работы.


Во втором разделе «Теоретическое обоснование закономерностей формообразования при восстановлении шлицевых поверхностей накаткой» рассмотрены направления приложения сил деформирующей оснастки, линии скольжения металла при деформации и исходя из этого – конструктивная форма и размеры деформирующего и профилирующего инструмента.

Особенностью проектирования и разработки технологий восстановления сложнопрофильных поверхностей накаткой является ограниченность объема перемещаемого металла, связанная с небольшими величинами износа профиля и дефицитом металла по телу детали. Ввиду этого рассматриваются различные схемы формообразования, позволяющие оценить то или иное техническое решение с позиций наличия запасов металла, потребного для восстановления деталей; минимизации количества перемещаемого металла; направления и траектории перемещения металла; обеспечения оптимального напряженно-деформированного состояния при формообразовании восстанавливаемого профиля.

При моделировании процесса осадки шлицевой втулки установлены исходные соотношения основных технологических режимов, описывающие рациональные сочетания между степенью деформации h, температурой нагрева Т, диаметром осаживаемой поверхности D и усилием деформации Р (рисунок 2).

 Модель режимов осадки шлицевой втулки Полученная математическая-24

Рисунок 2 – Модель режимов осадки шлицевой втулки

Полученная математическая модель имеет вид

(11)

При этом экспериментально установлены: температура начала и конца пластической деформации 1150…850 о С; усилие деформации, обеспечивающее перемещение металла, 200 - 650 кН.

Исследованиями процесса деформации при принятых факторных областях: N – частота вращения детали – 200 мин-1; r – приращение (уменьшение) радиуса – 0,5…2,0 мм; Т – температура преддеформационного нагрева детали – 950 о С и Р – усилие накатки – 200 кН – получена эмпирическая формула без учета эффекта подстуживания детали в функции времени (рисунок 3).

 (12) Модель изменения усилия накатки без учета процесса-27 (12) Модель изменения усилия накатки без учета процесса-28 (12)

 Модель изменения усилия накатки без учета процесса подстуживания.-29

Рисунок 3 – Модель изменения усилия накатки без учета процесса подстуживания.

Для того, чтобы связать все параметры процесса деформации, принято, что показатель Z, характеризующий глубину ввода деформирующего инструмента за единицу времени, изменяется от 0 до 1. Если учесть, что скорость прохода деформирующего инструмента по обрабатываемой поверхности постоянна, то при частоте вращения детали N она будет введена в поверхность на глубину Z за время t = ZtH, следовательно, на глубине ввода инструмента в деталь Z температура ее нагрева изменяется на величину

Т = 950 - Тt или T=950 – TZtН. (13)

Тогда экспериментальный график зависимости усилия накатки Р от глубины ввода инструмента в деталь и частоты вращения патрона токарно-винторезного станка N при заданном изменении радиуса детали r = 1 примет несколько иной вид (рисунок 4).

 Модель изменения усилия накатки с учетом подстуживания детали -30

Рисунок 4 – Модель изменения усилия накатки с учетом подстуживания детали

Возрастание усилия деформации обусловливается эффектом подстуживания детали в функции времени ее накатки. Следовательно, для обеспечения постоянства процесса деформации необходимо уменьшить время прохождения детали сквозь накатное устройство. Для данного случая поверхность усилия накатки примет вид, изображенный на (рисунке 5).

 Двухмерная номограмма поверхности усилия накатки Максимум-31

Рисунок 5 – Двухмерная номограмма поверхности усилия накатки

Максимум локальных изменений поверхности наглядно отображается на рисунке 7 в виде целевой области изменения режимных параметров, при этом качественная оценка двухмерной поверхности описывается поверхностью отклика, заключенной режимами (рисунок 6): частотой вращения 125…170 мин-1; глубиной внедрения инструмента 0,9…1,6 мм.

 Локальные изменения двухмерной системы режимов накатки В общем-32

Рисунок 6 – Локальные изменения двухмерной системы режимов накатки

В общем виде функция цели, призванная обеспечить качество восстанавливаемой детали характеризуется конструктивными К, технологическими Т и экономическими факторами

(14)

Функция цели по конструктивным факторам

(15)

где Ni – годовой объем производства, зависит от программы восстановления Qi и конструктивной приспособленности оснастки и оборудования к высокой ритмичности производства i, KDi – коэффициент долговечности, он характеризует прогрессивность принятой технологии с позиции обеспечения нормативных показателей. При этом в зависимости от принятых решений по способу восстановления в конструктивные цели входят такие показатели, как механические, физические, структурные и геометрические восстановленных деталей.

Функция цели по технологическим факторам обусловливается совершенством

принимаемых технологических решений, в той или иной мере обеспечивающих качество восстановления:

(16)

где tтп - технически обоснованная и наиболее приемлемая технология восстановления.

Функция цели по ресурсосберегающим факторам характеризуется экономией ресурсных составляющих на восстановление детали по принятой Тпр и сравниваемой Тср технологии.

(17)

Для решения задачи определения деформируемых поверхностей и величины перемещаемого объема металла при формировании восстанавливаемого профиля шлицев проведены износные микрометражные исследования. Установлено, что величина максимального износа шлицев ступицы составляет 1,2 мм, а шлицевой втулки 1,6 мм. Это и является основным условием величины приращения профиля шлицев и требует исследования процессов формообразования, связанного с определением мест расположения перемещаемых объемов металла, а также с усилием деформации, обеспечивающим формирование восстанавливаемых поверхностей (рисунки 8, 9).

 Расчетная схема площади поперечного сечения шлица -42


Рисунок 7 – Расчетная схема площади поперечного сечения шлица

Рисунок 8 – Расчетная схема необходимого объема металла для восстановления шлицевой ступицы

Площадь шлица описывается равенством

(18)

Площадь F1 обусловливается размерами высоты перемещенного радиуса Rи и радиуса дна впадины Rв в изношенном состоянии с угловыми координатами Е1 и Е2.

(19)

где – переменный угол.

(20)

Поперечное сечение шлицевой впадины

(21)

Переменный радиус Rи изношенного шлица

(22)

Переменный радиус Rв восстанавливаемого шлица

(23)

Нужное приращение площади поперечного сечения шлица

(24)

Исходя из полученного, объем металла, необходимый для формообразования шлица по длине l, равен

(25)

С целью создания универсальных технологий восстановления шлицевых деталей различных типоразмеров исследованию напряженно–деформированного состояния подвергались шесть схем формообразования.

 Схема-57

 Схема формообразования-58











Рисунок 9 – Схема формообразования при продольной накатке и профилировании шлица 2 роликом 3
Рисунок 10 – Схема формообразования раздачей полости пуансоном 2 и профилированием шлица 1 роликом 3

Усилие, необходимое для пластической деформации втулки по рассматриваемой схеме формообразования (рисунок 9), имеет вид

(26)

где – напряжение текучести материала, Па; – припуск на устранение износа и механическую обработку, мм.

Усилие деформации по схеме на рисунке 10:

 (27) Схема раздачи отверстия ступицы-62

 (27) Схема раздачи отверстия ступицы-63 (27) Схема раздачи отверстия ступицы-64 (27)

 Схема раздачи отверстия ступицы пуансоном в-65




Рисунок 11 – Схема раздачи отверстия ступицы пуансоном в разъемном штампе

Рисунок 12 – Схема формообразования при поперечной накатке внешней поверхности деформирующим роликом 1 и профилировании внутреннего шлица 2 калибрующим пуансоном 3

Усилие раздачи отверстия ступицы пуансоном (рисунок 11) имеет вид

 (28) При поперечной накатке шлицев (рисунок 13) усилие определяется-66 (28) При поперечной накатке шлицев (рисунок 13) усилие определяется-67 (28)

При поперечной накатке шлицев (рисунок 13) усилие определяется выражением

 (29) Продольная прокатка внешней поверхности (рисунок 13) описывается-68 (29) Продольная прокатка внешней поверхности (рисунок 13) описывается-69 (29)

 Продольная прокатка внешней поверхности (рисунок 13) описывается-70

 Продольная прокатка внешней поверхности (рисунок 13) описывается выражением -71

Продольная прокатка внешней поверхности (рисунок 13) описывается выражением

Рисунок 13 – Схема деформации при продольной прокатке внешней поверхности с одновременной накаткой шлицев

(30)

Исходя из приведенного агнализа схем формообразования сконструированы универсальные установки для восстановления внешних и внутренних шлицевых поверхностей накаткой (рисунок 14).

 На рисунках 15, 16 представлены шлицевые ступица и втулка до восстановления –-74

На рисунках 15, 16 представлены шлицевые ступица и втулка до восстановления – а и после восстановления – б.

Рисунок 14 – Общий вид установки для восстановления шлицевых поверхностей



 а б Изношенная и восстановленная-75













а б

Рисунок 15 – Изношенная и восстановленная ступица карданных передач

 а б Изношенная и восстановленная-77

 а б Изношенная и восстановленная-78













а б

Рисунок 16 – Изношенная и восстановленная втулка карданных передач

В третьем разделе «Математическое моделирование ресурсосберегающего эффекта при разработке восстановительных технологий» определялась оптимальная с позиции ресурсосбережения технология в условиях ограниченности запасов тех или иных ресурсов на ремонтном предприятии.

Для выбора ресурсосберегающей технологии восстановлении упрочнения деталей сельскохозяйственной техники построена экономическая математическая модель (рисунок 18).

Рисунок 17 – Схема модели выбора ресурсосберегающей технологии

восстановления и упрочнения деталей

Поскольку восстановленная деталь, с одной стороны, должна иметь высокий ресурс, а с другой – высокую безотказность, коэффициент оптимальности принятой технологии восстановленияопределяется как произведение коэффициента , учитывающего восстановление ресурса детали, на коэффициент безотказности :

(31)

где

и (32)

За критерий оптимизации рассматриваемой задачи принимался минимум затрат ресурсов в расчете на комплексный коэффициент восстановления эксплуатационной способности детали. То есть необходимо найти максимум интенсивности технологий восстановления Xi при которых достигается минимум целевой функции С(Х):

(33)

где – производительность i–ой технологии с единичной интенсивностью; – трудоемкость i–ой технологии с единичной интенсивностью; – среднечасовая заработная плата рабочего; – металлоемкость i–ой технологии с единичной интенсивностью; – цена единицы материальных ресурсов; – энергоемкость i–ой технологии с единичной интенсивностью; – цена единицы энергетических ресурсов; – капиталоемкость i–ой технологии с единичной интенсивностью; – прочие удельные затраты по i–ой технологии с единичной интенсивностью.

При решении поставленной задачи вводятся следующие ограничения:

по условию выполнения программы восстановления деталей

(34)

Ресурсы на восстановление всегда ограничены, и конъюнктура рынка трудовых, материальных, энергетических, финансовых и прочих ресурсов накладывает свои ограничения на выбор технологии восстановления деталей:

по условию использования трудовых ресурсов

(35)

по условию использования материальных ресурсов

(36)

по условию использования энергетических ресурсов

(37)

по условию использования финансовых ресурсов

(38)

по условию использования прочих производственных ресурсов

(39)

по условию использования на неотрицательность переменных

(40)

Функция цели (35) и ограничения (36) – (40http://jf.ll/) представляют собой строго формализованную математическую модель выбора ресурсосберегающей технологии восстановления деталей, учитывающую технический и экономический аспекты ресурсосбережения.

Ресурсосберегающий эффект при восстановлении и упрочнении деталей пластическим деформированием проиллюстрирован на рисунке 18 и в таблице 1. Эффективность восстановления деталей по этой технологии обосновывается путем сопоставления трех возможных вариантов. По первому варианту детали изготавливаются на механическом заводе из переплавленного на металлургическом предприятии изношенного ремонтного фонда и затем через службу сбыта поставляются потребителю. Переработка вторичного сырья на металлургическом предприятии сопровождается вредными выбросами в атмосферу. По второму варианту осуществляется восстановление деталей пластическим деформированием непосредственно на участке ремонтного предприятия. Наиболее дорогостоящий, третий вариант, связан с добычей металла вновь.

Рисунок 19 – Ресурсосбережение за счет восстановления и упрочнения деталей

Таблица 1 – Ресурсосберегающие показатели применяемых технологий в сфере ремонта сельхозтехники

№ п/п
Наименование применяемой технологии Технико-технологическая характеристика Показатели ресурсоемкости Коэф. экологической безопасности (qi)
Ресурсный коэффициент (i1/н1) Коэф. качества (i3/н3) Комплексный коэф. (gi) Трудоемкость, чел.ч (Тi) Металлоемкость, кг (Мi) Энергоемкость, кВт/ч (Еi) Капиталоемкость, руб. (Кi) Производительность, шт/см (Тi)
1. Литье 0,89 0,84 0,75 0,25 2,99 30,41 39,0 50 0,33
2. Обработка резанием 1,00 0,96 0,96 0,92 3,55 11,62 42,71 17 1
3. Штамповка 1,35 1,11 1,49 0,28 2,70 9,81 43,53 100 1
4. Восстановление пластическим деформированием 1,33 1,08 1,43 0,18 0 7,20 37,33 160 1
5. Восстановление наплавкой 0,90 0,87 0,78 0,31 0,40 5,57 20,52 25 0,85

В четвертом разделе «Исследование технологического процесса восстановления шлицевых деталей карданных передач накаткой» представлены результаты теоретического и экспериментального исследования разработанных технологий.

Теоретическое моделирование основывалось на следующих технических вводных.

Нагретая до температуры пластической деформации То деталь 1 перемещают под действием усилия Р с постоянной скоростью V между вращающимися с частотой N накатными роликами 2 и профилирующими шлицевые впадины роликами 3. При этом происходит перераспределение металла с наружной на внутреннюю поверхность детали 1 за счет установленной величины перемещаемого для устранения износа и создания припуска для механической обработки металла h (рисунок 19).

 Схема деформации внешней поверхности и втулки карданной передачи-116

Рисунок 19 – Схема деформации внешней поверхности и втулки карданной передачи накаткой:

1 – восстанавливаемая деталь; 2 – деформирующие ролики; 3 –профилирующие ролики

В качестве основных факторов эксперимента были приняты частота вращения накатников Х1, температура нагрева Х2 и припуск на накатку Х3, параметром оптимизации являлось осевое усилие накатки Р. Факторный эксперимент типа 23 проведен в двукратной повторности. Выборка составляла 30 экспериментов.

Для Х1 уровни факторов являются величинами дискретными (100, 125, 160, 200 мин -1), так как частота вращения шпинделя изменяется не плавно, а ступенчато в соответствии с конструктивными особенностями коробки станка. Кроме того, исходя из условий пластичности, принято, что при скорости вращения накатников ниже 100 мин-1 из-за интенсивного остуживания детали процесс в начальной стадии крайне затруднен и практически невозможен в конце по всей ее длине, а при частоте вращения выше 200 мин-1 происходит заклинивание накатных роликов.

Для Х2 при нижнем уровне ниже 650 оС резко увеличивается напряжение текучести металла, что требует значительных усилий накатки и, соответственно, ведет к усложнению конструкции оснастки. Верхний уровень в 950 оС выбран потому, что при этой температуре деформация переходит в пластическую.

Для Х3 уровни фактора определялись величиной износа рабочих поверхностей восстанавливаемой детали.

Гипотеза адекватности модели, проверенная по критерию Фишера, с доверительной вероятностью 0,95 подтвердилась. Уравнение регрессии имеет вид

(41)

где 0,93297, b = 0,00542475, c = 5,8883303, d = 0,6404138.

Новизной данного метода является многоэтапный подход к планированию эксперимента, включающий в себя: выбор функции распределения; составление матрицы планирования; определение границ уровней факторов; предварительный расчет коэффициентов уравнения; уточнение и окончательный расчет кривых; проверка сходимости и построение кривых.

Этот способ позволяет избежать или свести к минимуму ошибки и существенно ускорить процесс обсчета результатов эксперимента.

На основании полученных коэффициентов регрессии и результатов анализа уравнения можно сделать следующие выводы:

  • с увеличением частоты вращения накатников осевое усилие незначительно увеличивается;
  • с уменьшением температуры обрабатываемой детали из-за ее остуживания в функции времени накатки усилие деформации изменяется по экспоненциальному закону;
  • с увеличение припуска на прокатку осевое усилие возрастает по линейной зависимости.

Реализация эксперимента позволила найти теоретически оптимальные режимы восстановления.

Графическая интерпретация в результате регрессионного анализа модели при фиксированной частоте вращения 100 мин-1 представлена на рисунке 20.

Рисунок 20 – Зависимость осевого усилия накатки от температуры обрабатываемой детали и глубины накатки Р = 200кН; температура преддеформа-ционного нагрева детали Т =900…950 оС.

Исходя из данных, представленных на графике, наиболее оптимальными теоретическими режимами накатки полых шлицевых деталей карданных передач являются следующие: частота вращения накатников n = 100 мин-1; осевое усилие, прикладываемое к детали при накатке,

Результаты экспериментальных проверок технологии и их сравнение с теоретическими приведены на рисунках 21, 22 и 23.

 Исследование технологических режимов при восстановлении-121

Рисунок 21 – Исследование технологических режимов при восстановлении шлицевой

ступицы карданной передачи

 Исследование технологических режимов при восстановлении-122


Рисунок 22 – Исследование технологических режимов при восстановлении шлицевой втулки карданной передачи

 Исследование технологических режимов при восстановлении-124

Рисунок 23 – Исследование технологических режимов при восстановлении шлицевой ступицы раздачей отверстия пуансоном

В пятом разделе «Анализ показателей качества и эффективности технологий восстановления накаткой сложнопрофильных шлицевых деталей карданных передач» приводятся результаты и анализ геометрических, физико-механических и структурных показателей восстановленных деталей.

Анализируя данные микрометражных исследований следует, отметить, что диаметр впадины ступицы, имеющей внешнее расположение шлицев, после деформации достиг 55,4…57,4 мм (рисунок 24). Это дает общее приращение шлица в 2,8…3,4 мм.

 Состояние шлицевой ступицы до (1) и после (2)-126

 Состояние шлицевой ступицы до (1) и после (2)-127

Рисунок 24 – Состояние шлицевой ступицы до (1) и после (2) восстановления по параметру «диаметр по впадине шлица» Рисунок 25 – Состояние шлицевой втулки до (1) и после (2) восстановления по параметру «диаметр по впадине шлицав»

Если из общей величины приращения размера исключить 0,6…0,8 мм, приходящихся на износ, то 1,6…1,8 мм вполне достаточны для зубофрезерной операции.

У шлицевой втулки приращение профиля шлица составляет 2.3…2,4 мм. Исключив величину 1,2…1,6 мм, приходящуюся на износ, получаем 1,1…0,8 мм – этого вполне достаточно для зубопротяжной операции (рисунок 25).

Данные микрометражных исследований подтверждают теоретические и экспериментальные предпосылки о высоких возможностях, заложенных в технологию накатки с размерным профилированием.

Рисунок 26 – Микротвердость шлицев ступицы по глубине слоя Рисунок 27 – Микротвердость шлицев втулки по глубине слоя

 Исследованиями микротвердости поверхностного слоя шлица ступицы и втулки-129

Исследованиями микротвердости поверхностного слоя шлица ступицы и втулки (рисунки 26, 27) в исходном состоянии установлено, что на глубине 0,1 мм от поверхности контролируемый параметр находится в пределах 260 МПа, далее, по мере углубления от поверхности, показатель микротвердости падает и на глубине 0,3 мм достигает 210 МПа. Это объясняется зоной термического воздействия при ТМО и процессами поверхностного упрочнения детали при эксплуатации.

После восстановления шлицев ступицы накаткой микротвердость на глубине 0,1 мм от поверхности шлица возрастает на 37 %. Данное превышение объясняется двумя факторами: во-первых, упрочнением, протекающим при поверхностно-пластической деформации, и, во-вторых, вторичной деформацией поверхностного слоя, наблюдаемой при профилировании шлица. Упрочнение поверхностного слоя при восстановлении шлицевой поверхности накаткой с профилированием объясняется сдвиговыми и двойниковыми характеристиками процесса деформации. Тангенциальный сдвиг происходит на первой стадии деформации и характеризуется перемещением одной части кристалла по отношению к другой по определенной плоскости. А в конечной стадии деформации, при достижении перемещаемым металлом поверхности профилирующего ролика, наблюдается двойникование. Оно сопровождается ограничением перемещения металла в направлении профиля шлица и изменением направления касательной скольжения к поверхности профилирующего ролика.

Из данных эксперимента на статическую прочность (таблица 2) следует, что карданные валы автомобилей семейства ЗИЛ и ГАЗ, укомплектованные восстановленными накаткой шлицевыми ступицами и втулками, по показателям, характеризующим предел прочности, полностью отвечают требованиям, предъявляемым к новым изделиям.

Таблица 2.- Статическая прочность восстановленных карданных валов автомобилей семейства ЗИЛ и ГАЗ

Номер детали Приложенная нагрузка, при которой произошло разрушение, кН Место и характер разрушения Заключение
ЗИЛ-1 9,5 Скручивание трубы Превышает допустимые
ЗИЛ- 2 8,4 Скручивание трубы -//-
ЗИЛ- 3 8,8 Скручивание трубы -//-
ГАЗ-1 5,0 Скручивание трубы -//-
ГАЗ-2 5,2 Скручивание трубы -//-
ГАЗ-3 5,1 Скручивание трубы -//-

Испытания карданных валов автомобилей семейства УАЗ проводились в соответствии с инструкцией на автомобильном заводе в Ульяновске. Исходя из заводской инструкции, карданные валы должны выдерживать крутящий момент, равный 211 кН. Установлено, что статическая прочность карданных валов на 23–47 % превышает допустимый показатель.

Повышенные сжимающие напряжения в поверхностном слое (рисунок 28) шлица ступицы объясняются активным ограничением перемещения металла профилирующим роликом, воздействующим постепенно, рассредоточенно по времени, степени и глубине при поверхностно-пластической деформации. Разница в показателях остаточных напряжений шлицев ступицы в сравнении с шлицами втулки объясняется пассивным воздействием калибрующей оправки на поверхность формируемого шлица.

Данные о распределении остаточных напряжений у новых и восстановленных изделий обосновывают упрочнение поверхностного слоя восстановленного шлица сжимающими остаточными напряжениями. Кроме этого, отрицательные остаточные напряжения способствуют повышению сопротивления поверхности шлица усталостному разрушению.

Повышение показателей плотности дислокаций у восстановленных шлицев (рисунок 29) объясняется поверхностно-пластической деформацией поверхности шлица. Повышение плотности дислокаций ведет к улучшению прочностных показателей поверхностного слоя. Характер распределения плотности дислокаций по глубине слоя говорит об относительно равномерном их распределении в поверхностном слое, данное обстоятельство способствует повышению сопротивления их скольжению, что увеличивает прочность деформированного металла. Показатели плотности дислокаций восстановленных шлицевых поверхностей находятся в пределах (2,5…2,8)1012 см-2, что не достигает предельнных показателей 1013 см-2, при которых искажение кристаллических решеток ведет к образованию субмикротрещин, являющихся зародышем очагов усталостного износа.

 График напряженного состояния изношенных и восстановленных-130

 График напряженного состояния изношенных и восстановленных-131

Рисунок 28 – График напряженного состояния изношенных и восстановленных шлицевых деталей












Рисунок 29 – График плотности дислокаций изношенных и восстановленных шлицевых деталей

Макроструктура восстановленных шлицев (рисунок 30) характеризуется сплошностью по глубине слоя, отсутствием зародышей трещин, наличие которых возможно при выборе ошибочных режимов преддеформационного нагрева и схемы деформации при формообразовании. Сравнение макроструктуры восстановленных деталей с изношенными (рисунок 30) показывает на явное улучшение поверхностного и глубинного слоев восстановленных шлицев. Наблюдаемое при этом уменьшение пористости и вытянутая ориентация зерен подтверждают гипотезу о возможности управления процессом упрочнения поверхности восстанавливаемых деталей.

 а б Макроструктура изношенных и восстановленных шлицев -132 а б Макроструктура изношенных и восстановленных шлицев -133

 а б Макроструктура изношенных и восстановленных шлицев -134 а б Макроструктура изношенных и восстановленных шлицев -135

а б

Рисунок 30 – Макроструктура изношенных и восстановленных шлицев

ступиц (а) и втулок (б) (х3)


Микроструктура шлицев ступицы после калибрующей накатки (рисунок 31, а) по торцу шлица, на глубину до 0,5 мм характеризуется сорбитизированным перлитом. Сердцевина шлица состоит из перлита и феррита мелкозернистого строения. Основной металл представлен тонкопластинчатым перлитом с ферритом по границам аустенитного зерна (рисунок 31, б). Тип, повышенная плотность распределения зерен, геометрия и топография структуры говорят об упрочнении фаз, происходящем при поверхностно-пластическом деформировании в процессе восстановления деталей накаткой с профилированием.

Рабочая поверхность восстановленных шлицев втулок по всей высоте шлица имеет нормализованную структуру (рисунок 31, а) состоящую из скрытопластинчатого перлита с ферритом по границам зерен. В процессе накатки втулок с последующим активным воздействием профилирующей оправки по впадинам и боковым поверхностям шлица наблюдается вытянутая вдоль оси втулки волокнистость структуры. В поперечном сечении зуба (рисунок 31, б) видны торцы вытянутых зерен, что говорит о начале процесса двойникования и о соответствующем упрочнении структуры восстановленного шлица.

Основной металл (рисунок 31, в) состоит из крупнозернистого перлита и феррита.

Структура после термообработки характеризуется однородностью мелкодисперсного мартенсита 1…2 балла.

Сравнение микроструктур термически обработанных восстановленных с серийными деталями указывает на различие в состоянии мартенсита; у серийной детали наблюдается его неоднородность (рисунки 32, 33).

1

 а б в 2 а б в -136

 а б в 2 а б в -137

 а б в 2 а б в -138

а б в

2

а б в

Рисунок 31 – Микроструктура восстановленных шлицев ступицы 1 и втулки 2 (x100)

Структура металла детали после восстановления и термообработки характеризуется однородностью мелкодисперсного мартенсита 1…2 балла.






Рисунок 32 – Микроструктура восстановленного шлица после термообработки (x300)





Рисунок 33 – Микроструктура шлица до восстановления (x300)

Сравнительный микроструктурный анализ восстановленных и серийных деталей в закаленном состоянии показывает улучшение поверхностного слоя восстановленных методом профилирующей накатки деталей и подтверждает данные механических и физических характеристик.

В шестом разделе «Показатели технико-экономической эффективности технологии восстановления шлицевых деталей» выполнен расчет годового экономического эффекта от внедрения результатов исследования в производство. В соответствии с ним себестоимость восстановления шлицевой втулки на 40 % и шлицевого вала более чем в 4 раза ниже стоимости новых изделий. Суммарный экономический эффект от внедрения результатов исследования при производственной программе 10 тысяч карданных передач составит порядка 10 млн рублей.

Технологический процесс с комплектами оснастки прошли производственную проверку и внедрены на предприятиях:

- ОАО «Новозахаркинский ремонтный завод» в 1996 г.;

- ОАО «Саратовский подшипниковый завод» в 1999 г.

Результаты работы доложены и получили положительную оценку на заседаниях техсоветов ОАО «Автовазтранс» и ОАО «Ульяновский автомобильный завод» в
2009 г.

Общие выводы

  1. Анализом условий работы шлицевых сопряжений установлено, что на показатели работоспособности и долговечности превалирующе воздействуют контактные н и изгибающие f напряжения. Контактные напряжения при прокатывании шлицев друг относительно друга ведут к активному износу профиля, наибольшая величина которого наблюдается у вершины шлица. Напряжения на изгиб вызывают усталостные дефекты, ослабление прочности у основания, выкрашивание и поломку шлицев. Восстановление шлицевых деталей способами нанесения дополнительных материалов на рабочие поверхности ведет к уменьшению прочностных показателей на 20–25 %, негативное воздействие на ресурс оказывает недостаточная контактная прочность и прочность на изгиб, а также зона термического воздействия от нанесения компенсирующего износ металла по всему профилю, и особенно у основания шлица.
  2. Теоретические исследования рабочего процесса позволили выявить, что запас прочности у шлицевых деталей карданных передач, установленный заводом-изготовителем, обеспечивает возможность уменьшения толщины стенок деталей на 10–12 % (2–2,5 мм). Доказано, что наиболее высокой эффективностью обладают технологии, основанные на горячей пластической деформации и перемещении запаса металла накаткой в направлении восстанавливаемого шлица с одновременным размерным профилированием всей его поверхности от основания и до вершины. Новизной данных технических решений является обеспечение приращения профиля с минимальными припусками на механическую обработку, сохранение мономерной, упрочненной структуры, сопутствующей пластической деформации.
  3. Теоретически исследованы схемы формообразования деталей с внешним и внутренним расположением шлицев. Предложены расчетные зависимости для прочностного анализа износного состояния шлицевых соединений, определения объемов изношенного и перемещаемого с целью восстановления металла эвольвентного профиля шлица. Установлены динамические закономерности перемещения металла накатными устройствами для схем формообразования:
  • при продольной деформации шлицевой ступицы (ф. 26);
  • при поперечной деформации шлицевой ступицы (ф. 27);
  • при раздаче отверстия ступицы пуансоном в разъемном штампе (ф. 28);
  • при формообразовании шлицевой втулки поперечной накаткой внешней поверхности (ф. 29);
  • при одновременной продольной прокатке внешней поверхности и профилирования шлицев (ф. 30).

Применен новый метод разделения усилий по осям деформации, позволяющий снизить потребное усилие деформации до 30 %. Предложенные зависимости являются основой для инженерных расчетов конструкций оснастки для восстановления шлицевых деталей различных типоразмеров.

  1. Математическим моделированием технико-экономических составляющих ресурсосбережения при выборе рационального способа восстановления установлены 22 основных критериальных значения многофакторной функции, оценивающей ресурс, безотказность, затраты ресурсов с позиции интенсивности технологий восстановления деталей Хi, при которых достигается минимум целевой функции С(Х) (ф. 33). Установлен ресурсосберегающий эффект при использовании способа пластической деформации, позволяющий сократить необратимые потери металла на 35 %, затраты труда на 86 % и энергозатраты на 77 %.
  2. Теоретическим анализом схем формообразования шлицев при восстановлении деталей профилирующей накаткой с принятой фиксированной частотой вращения детали 100 мин-1 установлены рациональные режимы:
  • осевое усилие, прикладываемое к детали при деформации, – 200–220 кН;
  • температура преддеформационного нагрева – 900–950 оС;
  • глубина внедрения деформирующего инструмента – 1–1,2 мм;
  • скорость продольной подачи накатной оснастки – 0,5–0,7 мм/с.

Экспериментальной проверкой математической модели режимов формообразования подтверждена 95 % сходимость данных.

  1. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны, изготовлены и проверены опытно-промышленные образцы оснастки для восстановления внутренних зубчатых профилей (патент 2108887 РФ) и оснастки для восстановления внешних шлицев (патент на полезную модель 73814 РФ). Накатные устройства позволяют получить критериальные показатели: увеличить диаметр впадин шлицев вала на 2,8–3,4 мм и уменьшить диаметр впадин шлицев втулки на 2,3–2,4 мм. Данные приращения профилей шлицев позволяют устранить износы и увеличить размеры восстанавливаемых вала на 2,2–2,6 мм и втулки на 1,6–1,7 мм, что достаточно для последующих зубофрезерных и зубопротяжных операций, обеспечивающих номинальные размеры деталей.
  2. Анализом качественных составляющих разработанных технологий установлено, что высокотемпературная накатка с размерным профилированием внутренних и внешних шлицев и воссозданием первоначальных физико-механических и структурных свойств рабочих поверхностей установлено, что:
  • микротвердость поверхностного слоя после профилирующей накатки возрастает на 25 %, что обусловливает протекающий процесс термомеханического упрочнения за счет пластического деформирования металла детали;
  • показатель предела статической прочности, характеризующий стойкость восстановленного шлицевого соединения к напряжениям изгиба при кручении, на 20–25% превышает допустимый, установленный заводом-изготовителем.
  • рентгеноструктурный анализ показал отсутствие концентраторов напряжений в опасных сечениях шлица; наведенные сжимающие остаточные напряжения распределены равномерно по всему периметру профиля шлица и повышаются на 15 %. Плотность дислокации, характеризующая изменения, протекающие в кристаллической решетке, повышается на 10–12 % и находится в пределах (2,5…2,8)·1012, что также подтверждает эффект упрочнения поверхности шлица;
  • макро- и микроструктурное состояния образцов восстановленных профилирующей накаткой деталей характеризуются нормализованной структурой, состоящей из скрытопластинчатого перлита с ферритом по границам зерен. По впадинам и боковому профилю шлицев наблюдается вытянутая вдоль оси детали волокнистость структуры, что говорит о начале процесса двойникования при остановке процесса пластического перемещения металла профилирующим инструментом.
  1. Проведенный технико-экономический анализ показал, что себестоимость восстановления шлицевой втулки на 40 % и шлицевого вала более чем в 4 раза ниже стоимости новых изделий. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения результатов исследования при производственной программе 10 тысяч карданных передач составит 10247 тыс. руб.



Основные положения диссертации опубликованы

в следующих работах


Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

  1. Годунов, Н. Б. Пути повышения прочностных показателей шлицевых деталей карданных передач при их восстановлении/ Н. Б. Годунов, Ф. Я. Рудик //Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. – 2008 – № 1. – С. 56–58 (0,23/0,15 п. л.).
  2. Годунов, Н. Б. Проектирование параметров формообразования при восстановлении давлением шлицевых ступиц/ Н. Б. Годунов, Р. Я. Магомедов //Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. – 2008 – № 1. – С. 57–59 (0,24/0,2 п. л.).
  3. Годунов, Н. Б. Факторы, обеспечивающие долговечность шлицевых и зубчатых соединений/ Н. Б. Годунов Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. – 2008 – № 6. – С. 61 - 63 (0,25 п. л.).
  4. Годунов, Н. Б. Восстановление шлицевых втулок карданных передач профилирующей накаткой/ Н. Б. Годунов, Ф. Я. Рудик //Техника в сельском хозяйстве. – 2009 – № 3. – С. 38–39 (0,15/0,1 п. л.).
  5. Годунов, Н. Б. Восстановление шлицевых валов карданных передач профилирующей накаткой/Ф. Я. Рудик, С. А. Богатырев, Р. Я. Магомедов [и др.]// Технология машиностроения. – 2009. – № 6. – С. 18–20 (0,25/0,15 п. л.).
  6. Годунов, Н. Б. Обеспечение ресурсосбережения при разработке технологий восстановления/ Н. Б. Годунов//Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. – 2009 – № 10. – С. 51–54 (0,4 п. л.).
  7. Годунов, Н. Б. Восстановление шлицевых поверхностей накаткой с профилированием шлицев/Н. Б. Годунов//Справочник. Инженерный журнал. – 2009. – № 11. – С.14–17 (0,15 п. л.).
  8. Годунов, Н. Б. Расчет параметров формообразования при восстановлении давлением шлицевых втулок карданных передач/ Н. Б. Годунов//Ремонт, восстановление, модернизация. – 2010. – № 1. – С. 30–32 (0,15 п. л.).
  9. Годунов, Н. Б. Восстановление внешних шлицевых поверхностей пластической деформацией/ Н. Б. Годунов, С.А. Богатырев, Р.Я. Магомедов//Вестник Саратовского гостехуниверситета. - 2010. – № 1 (44). – С.14–18 (0,45/0,2).
  10. Годунов, Н. Б. Обоснование объема перемещаемого металла при восстановлении профиля шлицев раскаткой/ Н. Б. Годунов, //Вестник Саратовского гостехуниверситета. – 2010. – № 1 (44). – С. 21–24 (0,25).
  11. Годунов, Н. Б. Оснастка для восстановления сложнопрофильных шлицевых поверхностей накаткой/ Ф. Я. Рудик, С. А. Богатырев, Н. Б. Годунов, Р. Я. Магомедов //Вестник Саратовского гостехуниверситета. – 2010. – № 2 (45). – С. 49–52 (0,15/0,08 п. л.).

Патенты на изобретение

  1. Патент С1 № 2108887, RU МПК В21Н5/00. Способ накатки внутренних зубчатых профилей/Богатырев С. А., Годунов Н. Б., Рудик Ф. Я. и [др.] – № 97107072; заявл. 30.04.98; Б.И. № 11.
  2. Патент на полезную модель U1 73814 RU МПК В23Р 6/00. Устройство для восстановления шлицевых поверхностей/Годунов Н. Б., Рудик Ф. Я., Богатырев С. А., Магомедов Р. Я. – № 2008104098 ; заявл. 04.02.2008; опубл. Б.И. №16.

Публикации в сборниках научных трудов, материалах конференций и семинаров

  1. Годунов, Н. Б. Восстановление полых шлицевых деталей калибрующей накаткой/ Н. Б. Годунов, Ф. Я. Рудик, С.А. Богатырев//Рекомендации МСХ Сар. обл. – Саратов, 1997. – 29 с. (2,2/1,0 п. л.).
  2. Годунов, Н. Б. Оценка показателей качества восстановленных деталей/ Н. Б. Годунов//Улучшение эксплуатации МТП: сб. науч. тр./ Саратовской госсельхозакадемии – 1997. – С. 58–64 (0,3/0,1 п. л.).
  3. Годунов, Н. Б. Устройство для восстановления втулок карданной передачи накаткой/Ф. Я. Рудик, Н. Б. Годунов, С. А. Богатырев, А. Я. Змеев //Инф. л. № 193-97. – Саратов : ЦНТИ, 1997. – 4 с. (0,1/0,05 п.л.).
  4. Годунов, Н. Б. Устройство для восстановления шлицевых ступиц карданных передач/Ф. Я. Рудик, Н. Б. Годунов, С. А. Богатырев, А. Я. Змеев //Инф. л. № 194– 97. – Саратов: ЦНТИ, 1997. – 4 с. (0,1/0,05 п. л.).
  5. Годунов, Н. Б. Факторы, обуславливающие долговечность шлицевых соединений, и анализ ресурсосберегающих способов их восстановления/Н. Б. Годунов, Н. И. Кузнецов; ФГОУ ВПО Саратовский госагроуниверситет им. Н. И. Вавилова. 2007. – 76 с. (4,75/3,5 п. л.)
  6. Годунов, Н. Б. Восстановление шлицевых втулок карданных передач профилирующей накаткой/ Н. Б. Годунов, Ф. Я. Рудик //Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструментов и технологической оснастки, Ч1: сб. материалов 10-й Междунар. науч.-практ. конф. – Санктпетербургский госполитехуниверситет, 2008. – С.56–61 (0,31/0,2 п. л.).
  7. Годунов, Н. Б. Формирование и развитие системы ресурсосбережения в сфере восстановления деталей/ Н. Б. Годунов// Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструментов и технологической оснастки, Ч2: сб. материалов 10-й Междунар. науч.-практ. конф. – Санктпетербургский госполитехуниверситет, 2008. – С. 61–65 (0,38 п. л.).
  8. Годунов, Н. Б. Определение нагрузок от крутящего и изгибающего моментов на ведомый вал КП/ Н. Б. Годунов, Р. Я. Магомедов// Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструментов и технологической оснастки, Ч2: сб. материалов 10-й Междунар. науч.-практ. конф. – Санктпетербургский госполитехуниверситет. 2008. – С. 65–72 (0,62/0,4 п. л.).
  9. Годунов, Н. Б. Обоснование возможности изменения размеров нерабочих поверхностей шлицевых деталей при их восстановлении давлением/Н. Б. Годунов //Междунар. конф. «Вавиловские чтения», Ч.2. – Саратовский госагроуниверситет им. Н.И. Вавилова. 2008. – С. 235–237 (0,24 п. л.).
  10. Годунов, Н. Б. Устройство для восстановления шлицевых полых валов раскаткой отверстия/ Ф. Я.Рудик, Н. Б. Годунов, Р. Я. Магомедов //Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 100-летию проф. Красникова В.В. – Саратовский госагроуниверситет им. Н.И. Вавилова, 2008. – С. 103–108 (0,46/0,2 п. л.).
  11. Годунов, Н. Б. Расчет технологических параметров при восстановлении полых шлицевых ступиц карданных передач давлением/ Ф. Я. Рудик, Н. Б. Годунов// Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 100-летию проф. Красникова В.В. – Саратовский госагроуниверситет им. Н.И. Вавилова, 2008. – С. 98–103 (0,47/0,25 п. л.).
  12. Годунов, Н. Б. Расчет усилий при восстановлении шлицевых полых валов раскаткой отверстия/Н. Б. Годунов, Р.Я.Магомедов// Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 100-летию проф. Красникова В.В. – Саратовский госагроуниверситет им. Н.И. Вавилова, 2008. – С. 27–31 (0,38/0,22 п. л.).
  13. Годунов, Н. Б. Бизнес-проектирование технологической модернизации отраслей АПК/Н. Б. Годунов, И. Л. Воротников//Сб. трудов 12-й Междунар. науч.-прукт. конф. независ. агр.-эк. общ. России. – М. : РГАУ; МСХА, 2008. – С. 323–326 (0,31/0,26 п. л.).
  14. Годунов, Н. Б. Испытания на прочность восстановленных накаткой шлицевых деталей карданных передач автомобилей/ Н. Б. Годунов, Р. Я. Магомедов //Сб. мат. Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 100-летию проф. Вадивасова Д.Г. – Саратовский госагроуниверситет им. Н.И. Вавилова.: Сар.ГАУ, 2009. – С. 33–36 (0,3/0,2 п. л.).
  15. Годунов, Н. Б. Формирование и развитие системы ресурсосбережения в сфере технологического обслуживания и ремонта сельскохозяйственной техники/Н. Б. Годунов//Проблемы и персп. развития АПК : сб. материалов III Всерос. науч.-практ. конф. – Саратов : Наука, 2008. – С. 46–48 (0,24 п. л.).




 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.